开关稳压电源的设计.docx

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开关稳压电源的设计

摘要

稳压电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。

在信息时代，农业、能源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电源产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环保、安全、可靠等。

这就迫使电源工作者不断的探索寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。

开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。

本文在介绍了开关电源的各种工作方式、其优劣势、设计方法及未来发展方向等的基础上，对开关稳压电源进行设计。

设计分为三个模块进行，分别为辅助电源模块、PWM控制模块、升压电路部分，其中PWM控制电路为电源设计的核心。

确定电路设计方案后，使用Multisim10对电路进行仿真，并对电路的参数进行配比，尽量使电路的参数达到最佳、使输出电压趋于稳定，从而达到设计要求。

关键词：

开关电源，稳压，脉宽调制，功率

ABSTRACAT

Poweristoachievepowerconversionandpowertransmissionmajorequipment.Intheinformationage,agriculture,energy,transportation,communicationsandotherareasPowerofthesourceindustrymakeagreaterandhigherrequirements，suchasenergy,materials,weightreduction,environmentalprotection,safetyandreliability.Thishasforcedthepowerworkershavebeenexploringthetechnologyforavarietyofruralcustoms,thepowertomakethebestproductstomeettherequirementsofallwalksoflife.Switchingpowersupplyisanewtypeofpowersupply,comparedtotraditionallinearpowersupply,hightechnology,lowenergyconsumption,easytouse,andhasachievedgoodeconomicresults.

Thispaperdescribesthevariousswitchingpowersupplyworks,itsadvantagesanddisadvantages,designanddirectionoffuturedevelopment,basedonthedesignoftheswitchingpowersupply.Designisdividedintothreemodules,namely,auxiliarypowermodule,PWMcontrolmodule,boostcircuitpart,whichPWMcontrolcircuitforthepowersupplydesignofthecore.Determinethecircuitdesign,theuseofMultisim10simulatethecircuit,andtheratioofthecircuitparameters,circuitparametersasfaraspossibletoachievethebest,tostabilizetheoutputvoltagetoachievethedesignrequirements.

KEYWORDS:

SwitchingPowerSupply，Stabilivolt，PWM，power，

第一章开关电源简介

1.1开关电源的发展背景

电源[powersupply;powersource]向电子设备提供功率的装置。

把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。

发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的）,电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就电荷流（压）消了.干电池等叫做电源。

通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。

能提供信号的电子设备叫做信号源。

晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。

晶体三极管对后面的电路来说，也可以看作是信号源。

整流电源、信号源有时也叫做电源。

电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。

开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。

1.2开关电源的基本原理与组成特点

1.2.1开关稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源的控制方式分为调宽式和调频式两种,实际应用中,调宽式使用的较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。

调宽式开关稳压电源的基本原理如图1-1所示。

图1-1.调宽式开关电源的基本原理

对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。

其中有:

U0=UmT1/T式中,Um为矩形脉冲的最大电压值;T为矩形脉冲周期,T1为矩形脉冲宽度。

由此可知,当Um与T不变时,直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。

这样,只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

1.2.2开关电源的基本原理

开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。

随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。

高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

开关稳压电源具有，效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点，而被广泛使用在各个行业和领域中。

开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压，通常有三种调制方式:

脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。

PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式，因为周期恒定，滤波电路的设计容易，是应用最普遍的调制方式。

开关稳压电源的主回路框图如图1-2所示，由隔离变压器产生一个18V的交流，经过整流滤波成一个直流，然后再进行DC-DC变换，有PWM的驱动电路，去控制开关电源管的导通和截止，而产生出一个稳定的电压源，如图1-2。

图1-2.

1.2.3开关电源的特点

开关电源具有如下特点：

（1）效率高。

开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%，高的可达90%以上；

（2）重量轻。

由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了；

（3）稳压范围宽。

开关电源的交流输入电压在90~270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。

合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率；

（4）安全可靠。

在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠；

（5）功耗小。

由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

1.3开关稳压电源的发展

1.3.1国际发展史状况

（1）发展史

1955年美国的科学家罗耶（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。

此后，利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制和涌现出来。

从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备。

由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上。

由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作耐压较高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也能太高。

60年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了。

从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要有工频变压器了。

从而极大地扩大了它的应用范围，并且在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关稳压电源。

省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小。

开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。

70年代以后，于这种技术有关的高频、高反压的功率晶体管，高频电容，开关二极管，开关变压器铁心等元器件也不断地被研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速发展，并且被广泛应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源中的佼佼者。

（2）目前正在克服的困难

随着半导体技术和微电子的高速发展、集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻。

所有从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备为小型化的需要。

这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的第一个困难。

开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之有一组输入得到极性、大小各不相同得多组输出。

要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。

但是，当频率提高以后，对整个电路中的元件又有了新的要求。

例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。

进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制的科技人员要解决的问题。

工作在线性状态的稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用因而串联闲心稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。

但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。

这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。

随着爱管稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到进一步地克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。

所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，司从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。

1.3.2国内发展情况

我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作始于60年代初期。

到60年代中期进入了实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。

1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关稳压电源。

近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20KHz左右、输出在功率在1000W一下的无工频降压变气开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。

工作频率为100KHz~~200KHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制，90年代初期就已试制成功。

目前正走在向实用阶段和再进一步提高工作频率。

许多年来，虽然我国在无工频将开关稳压电源方面做了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍然有角的差距。

此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十KHz提高到数百KHz，把输出功率由数十瓦提高到数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关稳压电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。

所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。

1.4开关电源的分类

现在，电子技术和应用迅速的发展，对电子仪器和设备的要求是：

在性能上，更加安全可靠；在功能上，不断地增加；在使用上，自动化程度要越来越高；在体积上，要日趋小型化。

这是采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要了。

所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视机等方面都得到了越来越广泛的应用。

发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断的增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。

常见的开关稳压电源分类方法有下列几种：

（1）按激励方式划分

他激式

电路中专设激励信号产生的振荡器

自激式

开关管兼作振荡器中的振荡管

（2）按调制方式划分

.脉宽调制

振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小。

有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

.频率调整型

占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

.混合型

通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

（3）按开关管电流的工作方式划分

.开关型

用开关晶体管把直流变成高频标准方波。

.谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准的正弦方波电路形式是类是与它激式

（4）晶体管的类型划分

.晶体管型

采用晶体管作为开关管

.可控硅型

采用可控硅作为开关管。

这种电路的特点是直接输入交流电不需要一次整流部分。

（5）负载的连接方式划分

.串联型

储能电感串联在输入与输出电压之间。

.并联型

储能电感并联在输入与输出之间。

（6）按晶体管的连接方式划分

.单端式

仅使用一个晶体管作为电路中的开关管。

这种电路的特点是价格低、电路结构简单，单输出功率不能提高。

.推挽式

使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。

这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头。

.半桥式

使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的形式。

它的特点是适应于输入电压较高的场合。

.全桥式

使用四个开关晶体管。

将其连接成全桥式。

它的特点是输出功率较大。

（7）按输入与输出电压的大小划分

.升压式

输出电压比输入电压高。

实际上就是并联型开关稳压电源。

.降压式

输出电压比输入电压低。

实际上就是串联型开关稳压电源。

（8）按工作方式划分

.可控整流型

所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关，可由交流市电电网直接供电，也可采用变压器变压后供电。

（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。

）在工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角，依靠调节导通角的大小，可达到天界输出电压和稳定输出电压的目的。

.斩波型

斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的直流输出电压。

电路还从输出电压取样，经过比较、放大，控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调节开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。

电路的过压保护也是依据这一部分所提供的取样信号来进行的。

以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。

尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节方式。

储能电感的连接方式、开关管的器件类型以及串并联的结构等各不相同，但是他们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。

1.5稳压开关电源的发展趋势

随着稳压开关电源的发展，技术日益成熟，发展的方向也各不相同，但总的有以下四种方向。

（1）高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。

所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。

无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。

同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。

由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

（2）模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。

我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块（SPM）。

近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块（IPM）,不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。

实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力（表现为过电压、过电流毛刺）。

为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块（ASPM）,它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,这样的模块经过严格、合

理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。

由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。

（3）数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。

在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。

但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:

便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力）、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。

所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:

诸如印制版的布图、电磁兼容（EMC）问题以及功率因数修正（PFC）等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

（4）绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:

首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能（或少）对电网产生污染,国际电工委员会（IEC）对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。

事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:

向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。

20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。

这些为21世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

总而言之,开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着开关电源技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。

这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。

开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。

还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

1.6开关电源的技术指标与基本设计要求

直流稳压电源的技术指标可以分为两大类：

一类是特性指标，反映直流稳压电源的固有特性，如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围；另一类是质量指标，反映直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。

（1）特性指标

．输出电压范围　　

符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。

该指标的上限是由最大输入电压和最小输入－输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。

．最大输入－输出电压差　　

该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。

.最小输入－输出电压差　　

该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入－输出之间的电压差值。

.输出负载电流范围　　

输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。

（2）质量指标

.电压调整率SV　　

电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压VI变化时直流稳压电源输出电压VO稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。

电压调整率公式见图2－2－1。

．电流调整率SI　　

电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。

它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。

．纹波抑制比SR　　

纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰－峰值与输出纹波电压峰－峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。

第二章开关变换电路

2.1滤波电